軋制變形量對LAZ1201鎂鋰合金顯微組織及力學性能的影響

賈玉鑫，黃金亮，馮 劍，于慎東

（河南科技大學1.材料科學與工程學院；2.有色金屬共性技術河南省協同創新中心，洛陽471023；3.洛陽中重設備工程工具有限責任公司，洛陽471003）

0 引 言

鎂合金具有密度小、散熱性好、比強度和比剛度高、電磁屏蔽性能佳及原料豐富等優點，在航空航天、汽車、3C產業等領域已有較長的應用歷史［1-2］。但鎂合金為密排六方晶體（HCP）結構，塑性變形能力較差，這在很大程度上限制了它的使用性能和應用范圍。將鋰加入鎂合金后，不僅可使合金的密度進一步降低，而且還可使其晶體結構從HCP轉變成體心立方（BCC），從而使其加工性能得到很大改善［3］。

目前，對變形鎂鋰合金的研究主要集中在兩個方面：一是從材料制備工藝優化入手改善合金的加工性能和力學性能；二是研究有動態回復和動態再結晶過程的熱加工工藝，比如擠壓、鍛造、軋制及ECAP（等通道轉角擠壓）［4-9］等工藝。β單相鎂鋰合金具有較高的熱傳導系數，在室溫～200℃，其熱傳導系數大于480W·（m·K）-1［10］。雖然對鎂鋰合金的研究已經很多，但仍需進一步深入和完善。作者試圖在對鎂鋰二元合金密度影響不大的前提下，通過添加微量合金元素（鋁和鋅）制備出了Mg-12Li-0.5Al-1Zn合金，研究軋制變形量與合金組織、性能之間的關系。

1 試樣制備與試驗方法

試驗所用原料為純鎂、純鋁、純鋅（純度均大于99.9%）和鎂鋰中間合金（鋰質量分數為25%）。采用ZG（JL0.025-50-2.5）型真空熔煉爐在氬氣保護氣氛下進行熔煉，熔煉溫度為740℃，待合金原料完全熔融后，降溫至720℃，保溫15min后澆注到鋼模中得到 Mg-12Li-0.5Al-1Zn（LAZ1201）合金鑄錠；然后在該合金鑄錠上切取尺寸為10mm×60mm×60mm的試樣，經300℃×24h均勻化退火后，在260℃進行變形量分別為30%，50%，70%的軋制變形，軋制分多道次進行，每道次軋制壓下量均為1mm，每道次間進行300℃×15min的中間退火。

按照 GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫實驗方法》，在AG-I250KN型精密萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，沿軋制方向取樣，試樣為片狀非標準拉伸試樣，試樣標距尺寸為23mm×6mm×2mm，如圖1所示，拉伸速度為1mm·min-1；采用Olympus PMG3型光學顯微鏡觀察不同狀態合金的顯微組織，金相試樣先用草酸溶液（4g草酸＋96mL蒸餾水）腐蝕10s，再用4%（體積分數）硝酸酒精溶液腐蝕5s；使用Philip X′pertmpdpro型X射線衍射儀對合金進行物相分析；采用QUANTA 450型掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

圖1 拉伸試樣的形狀和尺寸Fig.1 Shape and size of tensile sample

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

從圖2中可以看出，鑄態合金的組織由樹枝狀晶組成；隨著軋制變形量的增大，鑄造缺陷逐漸消除，晶粒逐漸細化，并沿軋制方向拉長；當變形量為30%時，晶粒得到一定程度的細化，組織呈纖維狀，但晶粒大小仍不均勻；隨著變形量進一步增大，發生了不完全動態再結晶，晶粒進一步細化，第二相均勻地分布在晶粒內。動態再結晶的驅動力不僅與溫度有關，與軋制變形量也有很大關系。由于熱加工過程中動態回復隨時在進行，能量隨時釋放，當軋制變形量較小時，儲存能的積累不足以驅動再結晶，所以晶粒的尺寸沒有太大變化；當變形量較大時，儲存能足以引起再結晶，再結晶后晶粒變得細小且排列緊密［10］。

2.2 XRD譜

從圖3中可以看出，隨著變形量的增大，合金的相結構并沒有發生變化，軋制態合金均主要由β相和Mg17Al12相組成；另外，衍射峰強度卻有所變化，（110）、（220）衍射峰強度逐漸減弱，（200）衍射峰強度逐漸增強，這說明軋制過程中晶體結構發生了擇優取向，造成織構形態不一樣，這對力學性能的提高很有利。另外，由于鎂鋰合金發生了時效和過時效，合金相發生了β→Li2MgAl→AlLi的轉變，故檢測到Li2MgAl和AlLi相的存在。彌散分布在晶內的Li2MgAl相具有時效強化作用。

2.3 力學性能

從表1中可以看出，不同狀態的試驗合金均具有很高的室溫塑性；鑄態合金的抗拉強度和伸長率分別為138MPa和40%；隨著變形量的增大，合金的抗拉強度逐漸升高，伸長率則是先大幅升高，然后有下降的趨勢；當變形量為30%時，抗拉強度和伸長率分別為153MPa，50%，比鑄態的分別增加了15MPa和31.6%；變形量繼續增大至70%時，抗拉強度達到166MPa。軋制變形后，合金中的鑄造缺陷消失以及動態再結晶導致的晶粒細化，對合金強度及伸長率的提高起了很大作用。而在較大變形量下軋制后，強度大幅增加，塑性開始變差，這是因為此時位錯比較容易在晶體中塞積，位錯密度的增大和位錯間的交割都會突然加大，所以加工硬化也會隨之突然增加，從而導致強度提高，塑性下降［11］。

2.4 斷口形貌

從圖4中可以發現，不同狀態合金的拉伸斷口上均存在大量的等軸韌窩，屬于典型的韌性斷裂。鑄態合金拉伸斷口中的韌窩較淺，局部存在少量解理斷面，宏觀上呈現韌性斷裂，并且可以觀察到鑄態缺陷，如圖4（a）所示。因此，鑄態合金沒有表現出優異的力學性能。當變形量為30%時，拉伸斷口中的韌窩密集排列，并且韌窩細小、較深，如圖4（b）所示；當變形量繼續增加時，斷口中存在明顯的韌窩和撕裂棱，但韌窩逐漸變淺，如圖4（c～d）。這些斷口特征與表1中力學性能的變化一致。

圖2 鑄態及不同軋制變形量下合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of as-cast alloy and as-rolled alloy with different rolling deformations：（a）as-cast；（b）deformation of 30%；（c）deformation of 50%and（d）deformation of 70%

圖3 鑄態及不同軋制變形量下合金的XRD譜Fig.3 XRD patterns of as-casted alloy and as-rolled alloy with different rolling deformations

表1 鑄態及不同軋制變形量下合金的力學性能Tab.1 Mechanical properties of as-cast alloy and as-rolled alloy with different rolling deformations

圖4 鑄態及不同軋制變形量下合金室溫拉伸斷口的SEM形貌Fig.4 SEM images of room temperature tensile fracture of as-cast alloy and as-rolled ally with different rolling deformations：（a）as-casted；（b）deformation of 30% ；（c）deformation of 50%and（d）deformation of 70%

3 結 論

（1）LAZ1201合金為單相β合金，軋制過程中相成分沒有發生變化；隨著軋制變形量的增大，合金發生了不完全動態再結晶，晶粒在一定程度上有所細化。

（2）隨著變形量的增大，合金的抗拉強度逐漸升高，伸長率率則是先大幅提高，然后有所下降；軋制變形量為70%時，抗拉強度可達166MPa；軋制變形量為30%時，塑性最好，伸長率可達50%。

（3）鑄態和軋制態合金的室溫拉伸斷口上均存在大量等軸韌窩，為韌性斷裂。

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